CN102739004A - 笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，主要包括爪极、卡环、电枢绕组、励磁绕组、磁轭、定子铁心、转子位置传感器、控制器、机座、端盖和风扇。6个或6个以上的数量为偶数的条形磁极的两端插在两个卡环的插孔中，且露出定子铁心的两端，组成一个有6对或6对以上数量为偶数的凸极的定子笼形磁极；转子主要由两个爪极、1个电枢和转轴组成，爪极有4个或4个以上数量为偶数的爪，两个爪极轴向相对，电枢设在两个爪极之间；能与爪极的爪同时对齐的磁极用同相励磁电源连接。在定子磁场牵引转子旋转的同时，利用转子上的电枢绕组发电，实现输出机械能的同时，“回收”部份电能。

Description

笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机

技术领域

本发明涉及一种电力系统，特别是一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机。

技术背景

开关磁阻电动机(SR)是近些年发展的新型调速电机，结构简单结实、调速范围宽且性能好，现已广泛用在仪器仪表、家电、电动汽车等领域。磁阻电机的主要特点是转子上没有线圈。磁阻电动机利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。现有的开关磁阻电动机以双凸极电机为主。磁阻电机的转子上没有线圈，无需电刷和滑环，是一种无刷调速电机。但也正是因为转子上没有线圈，通过转子的磁通被“浪费”掉了。

本发明采用爪对极结构，用卡环将若干定子磁极接成一个笼形整体，定子磁极产生轴向磁通，两个爪极之间设有轴向电枢绕组，定子磁极牵引爪极转动的同时，电枢感应电动势产生直流电，实现输出机械能的同时，“回收”部份电能。其实两者并不矛盾，电枢绕组切割磁力线发电并不会削弱定子磁场对转子的牵引力。

发明内容

本发明的目的是提供一种在输出机械能的同时，能“回收”部份电能的笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机。

本发明是这样实现的：一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、磁轭(9)、定子铁心(10)、后爪极(11)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)和控制器(16)，其特征是：定子铁心为条形铁心，条形定子铁心上绕有一个轴向励磁绕组，组成轴向条形磁极；卡环上平均分布有6个或6个以上数量为偶数的插孔，6个或6个以上的数量为偶数的条形磁极的两端插在两个卡环的插孔中，且露出定子铁心的两端，组成一个有6对或6对以上数量为偶数的凸极的笼形磁极；爪极有4个或4个以上数量为偶数的爪，两个爪极固定在转轴上，两个爪极之间设有磁轭，磁轭上绕有一个轴向电枢绕组；磁极的数量比爪极的爪的数量多2个或4个或6个；能与爪极的爪同时对齐的磁极用同相励磁电源连接，组成由2相或2相以上励磁电源分别供电的定子笼形磁极；爪极的爪与磁极的凸极之间留有气隙；转子位置传感器由定子(14)和转子(15)两部份组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上或爪极上，转子位置传感器的定子固定在端盖或机座上，或者，转子位置传感器的定子与控制器设在一起；控制器主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，控制器固定在端盖或机座上。

发电机的工作原理：当磁极的其中一相通电时，与通电磁极距离最接近的爪极的爪受磁力的牵引作用旋转至与通电磁极相对的位置，转子位置传感器检测到转子已经旋转至既定的位置，通过控制器发出断开该相磁极的电流、接通下一相磁极的电流的指令，下一相磁极通电并吸引与其距离最接近的爪极的爪，实现转子的持续旋转；磁通从磁极的N极发出，经过爪极、磁轭，从另一爪极回到磁极的S极，形成完整的磁路；通电磁极在吸引爪极的过程中，通过磁轭的磁通发生变化，电枢绕组感应到电动势且产生电流；由于通过磁轭的磁通是轴向磁通，而且磁通的方向不变，因此电枢产生的电流方向不会改变，可直接输出直流电；利用控制器中的功率变换器调节励磁电流的电压，以调节电机输出的转速和转矩大小；电机在输出机械旋转运动动力的同时，产生直流电。

定子铁心的数量比爪极的爪的数量多2个或4个或6个，定子铁心与爪极的爪数之比为6∶4或8∶6或8∶4或10∶8或12∶8或12∶10或12∶6等等，亦称为6/4极或8/6极或8/4极或10/8极或12/10极或12/6极等结构的发电电动机。6/4极采用3相励磁电源，8/6极采用4相励磁电源，8/4极采用2相励磁电源，10/8极采用5相励磁电源。

转子位置传感器起着转子位置的跟踪作用，它将转子的位置信号转换成控制电路所需的电信号。常用的位置传感器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。

电磁式位置传感器是利用电磁感应的效应得到转子的位置信号。其基本原理是：在转子上有一个扇形的导磁片，随着转子的转动发出相应的电信号。

光电式位置传感器由随转子一起旋转的遮光罩和固定不动的光源和光电管组成。若干只光电管由遮光罩控制依次受到光线照射，使各相励磁绕组轮流通电，于是电动机能持续地旋转。

磁敏式位置传感器也是由定子和转子两部份组成，在转轴上安装永磁磁极，磁敏元件设在定子上。磁敏元件用对磁场敏感的半导体材料制成，常用的有霍尔元件、磁敏二极管和磁敏电阻。磁敏元件检测到的转子位置信号经过处理后，可控制电动机的励磁绕组按顺序通电。

控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成。来自位置传感器的控制信号经信号处理单元处理后，送到功率逻辑开关单元，用作控制电机各相励磁绕组的通、断电。控制器中包含了功率变换器、位置处理器及相驱动器三部份。

目前已有许多专用于控制电机的集成电路，组成开环或闭环控制系统，以调节和控制电机的转速。

所述发电电动机为笼形爪对极式开关磁阻有刷直流发电电动机或笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机。

开关磁阻有刷直流发电电动机设有电刷装置(18)和集电环(19)，用以输送由电枢产生的直电流。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座、弹簧等组成，电刷装置固定在端盖内侧，集电环固定在转轴上。电枢产生的直流电可作为电机的部份励磁电源反馈至磁极，以减少对外部励磁电源的依赖。由于损耗的存在，电机产生的电流略小于励磁电源的电流，电机产生的电流并不能完全满足自身的需要，只能为磁极提供部份励磁电源。磁极采用双段结构能有效利用电枢产生的电流，双段结构电机的其中一段磁极的励磁电源由外部电源提供，另一段磁极的励磁电源则由电枢产生的电源提供。电枢产生的电流也可以输送至外部负载。

开关磁阻无刷直流发电电动机的电枢产生的直流电作为其它同轴电机的转子励磁电源直接供给同轴电机。

所述发电电动机为单段结构的发电电动机或双段结构的发电电动机。双段结构的发电电动机的笼形磁极、电枢各有两段，在两段笼形磁极、电枢之间设有中间爪极(20)。两段笼形磁极通以同向励磁电流，两段笼形磁极的磁通方向相同。

爪极类似于普通爪极式交流发电机的爪极，但普通爪极式交流发电机的两块爪极的极爪呈鸟嘴形状，两块爪极的极爪是交错设置的，在两块爪极的极爪形成若干径向或切向磁场，而笼形爪对极式电机的两块爪极的极爪分别设在磁极的两侧，极爪对着笼形磁极的凸极，极爪的端面或极爪的凸极端面是平的，两块爪极形成的磁场始终是轴向磁场。

爪极的爪为直爪或弯爪或平斜爪或弯斜爪。弯爪是指爪极的爪先朝径向延伸、再朝轴向弯曲90度，平斜爪是指爪极的爪从径向看是平的，不是弯的，但又朝切向倾斜一定的角度，弯斜爪是指爪极的爪从径向看是朝轴向弯曲90度角的，但又朝切向倾斜一定的角度。根据每个爪上的凸极数量的不同，弯爪又分为单凸极弯爪和多凸极弯爪，弯斜爪又分为单凸极弯斜爪和多凸极弯斜爪。由于中间爪极所承载的磁通量较两侧的爪极要大，因此中间爪极要做得比侧爪极更厚，中间爪极做成一个整体，中间爪极也可以用两个独立的爪极替代。

爪极与磁轭用软铁材料制成，如电工纯铁、单晶合金、硅钢。单段结构的电机中，两个爪极与磁轭铸成一个整体，或者，磁轭与两个爪极由两部份组成，磁轭与其中一个爪极铸成一个整体，或者，磁轭与两个爪极由两部份组成，磁轭由两个爪极中间向内侧延伸的两个圆柱合成，或者，磁轭与两个爪极由三部份组合而成。一个爪极至少有4个爪，爪极的爪朝径向放射状对称凸出。

定子铁心为直条形或斜条形铁心；条形铁心的两端平直，条形铁心呈“一”字型，或者，条形铁心的两端凸起，条形铁心呈“工”字型。从径向看，直条形铁心与转轴是平行的，斜条形铁心与转轴是交叉的。铁心用软铁材料制成，如电工纯铁、硅钢片、单晶合金等。

卡环上平均分布有6个或6个以上数量为偶数的矩形插孔。定子铁心绕上励磁绕组后，两端分别插在两个卡环的矩形孔中固定，而且铁心的两端露出来形成凸极。卡环上设有通风散热孔(17)或槽，以利于散热。定子铁心与卡环用卡位连接或键连接或销连接或螺纹连接或焊接或胶粘的方法固定。卡环用非铁磁性材料制成，如铝合金、不锈钢、阻燃塑胶、陶瓷、钢化玻璃等。若卡环用金属材料制造，卡环与定子铁心的连接处还要用绝缘漆作绝缘处理。

条形磁极是单绕组磁极，励磁绕组是轴向绕组；电枢是单绕组电枢，电枢绕组是轴向绕组。励磁绕组和电枢绕组用漆包线绕制而成，如漆包铜线、漆包铝线、漆包合金线等。

控制器可与接线盒设在一起，也可以设在端盖内侧，也可以单独设在机座上。

电机用风扇或液体冷却装置冷却，和/或，在机壳上设散热片散热。风扇固定在转轴上，或者，在爪极上铸有风扇叶片。双段结构的发电电动机可设双个风扇或多个风扇，分别设在转子的两侧和/或中间。

附图说明

图1、图2、图3、图4、图5为本发明第一实施例结构示意图。

图6、图7、图8为本发明第二实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

第一实施例

参见图1电机整体结构平面示意图，图2爪极和磁轭结构示意图，图3转子结构示意图，图4定子结构示意图，图5转、定子合成图。一种笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、磁轭(9)、定子铁心(10)、后爪极(11)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)和控制器(16)。定子铁心为“工”字形条形铁心，条形定子铁心上绕有一个轴向励磁绕组，组成轴向条形磁极；卡环上平均分布有6个插孔，6个条形磁极的两端插在两个卡环的插孔中，且露出定子铁心的两端，组成一个有6对凸极的笼形磁极；爪极有4个爪，两个爪极固定在转轴上，两个爪极之间设有磁轭，磁轭上绕有一个轴向电枢绕组，两个爪极与磁轭是用电工纯铁铸造的一个整体；爪极的爪为径向直爪，从根部朝径向呈放射状凸出；能与爪极的爪同时对齐的磁极用同相励磁电源连接，组成由3相励磁电源分别供电的定子笼形磁极；爪极的爪与磁极的凸极之间留有气隙；转子位置传感器由定子(14)和转子(15)两部份组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上，转子位置传感器的定子固定在后端盖内侧；控制器固定在机座上，控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成闭环控制系统，以调节和控制电机的转速。控制器中包含了功率变换器、位置处理器及相驱动器三部份。来自位置传感器的控制信号经信号处理单元处理后，送到功率逻辑开关单元，用作控制电机各相励磁绕组的通、断电。卡环用铝合金材料制成，卡环与定子铁心用环氧树脂固定，卡环与磁轭用环氧树脂固定，即卡环与定子铁心之间作绝缘处理。卡环上平均分布有6个通风散热孔(17)。风扇固定在转轴上，风扇位于前端盖的内侧。前端盖设有进风口，后端盖设有出风口。转轴通过轴承定位于前端盖和后端盖。接线盒设在机座上。接线盒与控制器设在一起。电机作为一种励磁发电电动机，电枢产生的直流电作为励磁电源供给其它同轴电机。

第二实施例

参见图6电机整体结构平面示意图，图7爪极和磁轭结构示意图，图8转、定子合成图。一种双段结构的笼形爪对极式开关磁阻有刷直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、磁轭(9)、定子铁心(10)、后爪极(11)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)、控制器(16)、电刷装置(18)、集电环(19)和中间爪极(20)。笼形磁极、电枢各有两段，在两段笼形磁极和电枢之间设有一个中间爪极。中间爪极比两个侧爪极要厚。两段笼形磁极通以同向励磁电流，两段笼形磁极的磁通方向相同。第一段笼形磁极的励磁电源为外部励磁电源，第一段和第二段电枢产生的直流电通过电刷和集电环供给第二段笼形磁极。其余未述部分同第一实施例，不再重复。

Claims (10)

1.一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，主要包括前端盖(1)、风扇(2)、转轴(3)、前爪极(4)、卡环(5)、电枢绕组(6)、励磁绕组(7)、机座(8)、磁轭(9)、定子铁心(10)、后爪极(11)、轴承(12)、后端盖(13)、转子位置传感器(14、15)和控制器(16)，其特征是：定子铁心为条形铁心，条形定子铁心上绕有一个轴向励磁绕组，组成轴向条形磁极；卡环上平均分布有6个或6个以上数量为偶数的插孔，6个或6个以上的数量为偶数的条形磁极的两端插在两个卡环的插孔中，且露出定子铁心的两端，组成一个有6对或6对以上数量为偶数的凸极的笼形磁极；爪极有4个或4个以上数量为偶数的爪，两个爪极固定在转轴上，两个爪极之间设有磁轭，磁轭上绕有一个轴向电枢绕组；磁极的数量比爪极的爪的数量多2个或4个或6个；能与爪极的爪同时对齐的磁极用同相励磁电源连接，组成由2相或2相以上励磁电源分别供电的定子笼形磁极；爪极的爪与磁极的凸极之间留有气隙；转子位置传感器由定子(14)和转子(15)两部份组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上或爪极上，转子位置传感器的定子固定在端盖或机座上，或者，转子位置传感器的定子与控制器设在一起；控制器主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，控制器固定在端盖或机座上。

2.根据权利要求1所述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述发电电动机为3相6/4极或4相8/6极或2相8/4极或5相10/8极结构的笼形爪对极式开关磁阻有刷直流发电电动机或笼形爪对极式开关磁阻无刷直流发电电动机。

3.根据权利要求1所述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述发电电动机为单段结构的发电电动机或双段结构的发电电动机；双段结构的发电电动机的笼形磁极、电枢各有两段，在两段笼形磁极、电枢之间设有中间爪极(20)。

4.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述卡环用非铁磁性材料制成，卡环上设有通风散热孔(17)或槽。

5.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述转子位置传感器为电磁式位置传感器或光电式位置传感器或磁敏式位置传感器。

6.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，组成开环或闭环控制系统。

7.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述笼形爪对极式开关磁阻有刷直流发电电动机设有电刷装置(18)和集电环(19)。

8.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是双段结构的笼形爪对极式开关磁阻有刷直流发电电动机的其中一段笼形磁极的励磁电源由外部电源提供，另一段笼形磁极的励磁电源则由电枢产生的电源提供。

9.根据权利要求1或2或3述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是所述爪极的爪为直爪或弯爪或平斜爪或弯斜爪；两个爪极与磁轭铸成一个整体，或者，磁轭与两个爪极由两部份组成，磁轭与其中一个爪极铸成一个整体，或者，磁轭与两个爪极由两部份组成，磁轭由两个爪极中间向内侧延伸的两个圆柱合成，或者，磁轭与两个爪极由三部份组合而成。

10.根据权利要求1或2或3所述一种笼形爪对极式开关磁阻直流发电电动机，其特征是定子铁心为直条形或斜条形铁心；条形铁心的两端平直，条形铁心呈“一”字型，或者，条形铁心的两端凸起，条形铁心呈“工”字型。

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